Dr. Francisco Nez de Cceres Gonzlez

Laboratorio de Sistemtica Molecular.

Centro de Investigaciones Biolgicas.

Universidad Autnoma del Estado de Hidalgo.

El descubrimiento del ADN

Friedrich Miescher, un medico suizo, realizaba

investigaciones sobre qumica de tejidos en el

laboratorio Hoppe-Seyler en Tubingen, Alemania.

Su objetivo era aislar leucocitos de muestras de

pus de una clnica cercana. Durante sus

experimentos logro aislar una molcula con

caractersticas diferentes, era muy grande, de

carcter cido y rica en fosforo. A esta molcula

la denomino nucleina y determin que estabacompuesta por hidrgeno, oxgeno, nitrgeno y

fosforo y con una relacin entre nitrgeno y

fosforo nica. Sus resultados fueron publicados

en 1871 y continuo con sus estudios usando

semen de salmn en sustitucin de pus. En 1889

Richard Altmann, un discpulo de Miescher,

desarroll los mtodos para purificar ADN libre de

protenas de varios tejidos animales y levaduras y

fue el quien acu el trmino Acido Nucleco.Friedrich Miescher

Frederick Griffith

Los resultados de los experimentos de Griffith en

1928 fueron de los primeros en sugerir que las

bacterias eran capaces de transferir informacin

gentica (en ese momento desconocida) a travs

de un proceso llamado transformacin. En susexperimentos inyecto ratones con dos tipos de

bacterias III-S (letales) eliminadas por calor y II-R

vivas (no letales). Al inyectar una combinacin de

ambas bacterias a otro grupo de ratones y ver

que estos moran Griffith determino que era

imposible que las bacterias muertas revivieran

por lo que estas haban transferido algo a las

bacterias vivas lo cual denomino Principiotransformante. Cuando crecieron en cultivo, lasbacterias siguieron produciendo clulas tipo III-S

por lo que el cambio era estable y permanente.

Durante los siguientes 15 aos se enfoc en

purificar ese principio transformante y entender

su naturaleza qumica.

Oswald Avery Colin MacLeod Maclyn MacCarty

Interesados en los experimentos de Griffith. Estos tres investigadores se enfocaron a analizar la actividad

transformadora de cada uno de los componentes de la lisis de los cultivos bacterianos de usados por Griffith.

Inicialmente incubaron la lisis de la cepa lisa muerta por calor con una enzima que consume completamente la

cubierta de azcar. Esta segua siendo til para transformar lo que indicaba que las cepas R no creaban una

nueva capa a partir de las partes de la cubierta de cepa lisa. Despus incubaron la lisis de cepa lisa sin

cubierta con enzimas que digieren protenas (tripsina y quimotripsina) y descubrieron que la actividad

transformadora se mantena, infiriendo as que el principio trasformador no era una protena. Cuando vieron

que el principio transformante no estaba en la cubierta de azcar, ni era una protena sospecharon que talvez estara en uno de los cidos nucleicos.

Disolvieron la mezcla con alcohol en agua, precipitando as los cidos nucleicos y adicionaron la enzima

RNAsa para digerir el RNA. Esta solucin todava tena capacidad para transformar, de tal manera que el ARN

fue descartado. Teniendo ya ADN virtualmente puro, lo incubaron con la enzima digestora de ADN, DNAsa. Al

probar la capacidad trasformadora de esta solucin , sta fue incapaz de transformar. Avery y sus colegas

concluyeron as que el ADN era el Principio transformante y publicaron sus resultados en 1944.

Alfred Hershey Martha Chase

Con el objetivo de refutar los resultados y teoras de Avery y sus colegas, Alfred Hershey junto a su tcnica de

laboratorio Martha Chase (Cold Spring Harbour Lab) decidieron analizar la transferencia de protenas y ADN de

un virus a su husped. Ellos usaron el fago T2, un virus que consiste nicamente en una cubierta proteica o

cpside que contiene su material gentico, e infecta a una bacteria cuando se adhiere a su membrana externa,

inyecta dicho material y le deja acoplado el cpside. Como consecuencia, el sistema gentico de la bacteria

reproduce el virus y posteriormente esta muere. En un primer experimento, marcaron el DNA de los fagos con

el istopo radiactivo fsforo-32 (P-32). Dejaron que los fagos del cultivo infectaran a las bacterias E. coli y

posteriormente retiraron las cubiertas proteicas de las clulas infectadas mediante una licuadora y

una centrfuga. Hallaron que el indicador radiactivo era visible slo en las clulas bacterianas, y no en las

cubiertas proteicas. Posteriormente, marcaron los fagos con el istopo azufre-35 (S-35). Los

aminocidos cistena y metionina contienen azufre, no as el ADN. Tras la separacin, se hall que el indicador

estaba presente en las cubiertas proteicas, pero no en las bacterias infectadas, con lo que se confirm que era

el ADN lo que se transfera e infectaba a las bacterias.

Erwin Chargaff

Interesado por los resultados publicados por

Avery y su grupo, el bioqumico austriaco

Erwin Chargaff basado en los resultados de

sus experimentos en laboratorio propuso dos

reglas, la primera era que la cantidad de

adeninas era siempre igual a la de timinas y

la de guaninas a la de citosinas dando as

los primeros indicios de su

complementariedad. La segunda regla era

que la proporcin de bases es diferente en

cada especie, sugiriendo que era el ADN el

que contena el material gentico y no las

protenas. En 1952 se reuni con Watson y

Crick en Cambridge siendo este evento uno

de los que daran mas fuerza al modelo

propuesto por los ltimos en 1953.

Rosalind Franklin trabaj en 1951 como investigadora asociada en el laboratorio de John Randall en el King's

College de Londres. Rosalind Franklin mantuvo aqu una relacin compleja con Maurice Wilkins quien tambin

trabajaba en cristalografa de rayos X. Wilkins mostr sin su permiso la famosa imagen 51 de difraccin derayos X del ADN de Franklin a James Watson y Francis Crick. Esta fotografa confirmaba la teora de una

estructura tridimensional del ADN siendo este el impulso mas fuerte para la publicacin por ellos, en 1953, de

la estructura del ADN. En febrero de 1953, a la edad de 33 aos, Rosalind escribi en sus notas de trabajo "la

estructura del DNA tiene dos cadenas". Para ese entonces, ella tambin saba que la molcula del DNA tiene

sus grupos fosfato hacia afuera y que existe en dos formas. Franklin muri prematuramente, de cncer de

ovario, en 1958 muy probablemente por las repetidas exposiciones a la radiacin durante sus investigaciones.

Las condiciones que como mujer tuvo que soportar en Cambridge y ciertas palabras despectivas de James

Watson, hacen aparecer como un agravio la concesin del Premio Nobel de Fisiologa o Medicina slo a

Watson, Crick y Wilkins en 1962.

Rosalind Franklin Maurice Wilkins

Linus Pauling

En noviembre de 1952, Pauling estaba

decidido a descifrar la estructura del ADN.

Basado en imgenes de microscopio

electrnico obtenidas por Robley Williams en

Caltech y en clculos del mismo investigador

respecto al tamao de las estructuras

observadas Pauling quedo convencido de

que la molcula de ADN estaba conformada

por una triple hlice con los fosfatos en la

parte interior. Cabe notar que en ese

momento Watson y Crick estaban tambin

convencidos de esta teora de triple hlice

hasta que los resultados de Rosalind

Franklin mostraron la verdadera estructura.

James Watson y Francis Crick

Inspirados por el trabajo de Linus Pauling, el estudiante de posgrado Francis Crick y el

investigador James Watson (Cambridge University) enfocaron su investigacin a descifrar la

estructura de ADN para poder comprender mejor su funcionamiento. En 1953, basados en los

resultados de Franklin y con el conocimiento de los experimentos de Chargaff, los investigadores

propusieron el modelo de la doble hlice como se conoce en la actualidad. Ellos mostraron que

cada hebra de ADN era una plantilla para la otra y que durante la divisin celular estas hebras se

separaban y una nueva hebra se produca por cada una. De esta forma el ADN se poda duplicar

a si mismo si sufrir cambios en la estructura. El modelo se ajustaba perfectamente a los datos

experimentales por lo que fue aceptado casi de inmediato. Este descubrimiento ha dado paso a

los avances que muchos aos despus se tienen sobre los genes y su funcin. Ellos junto a

Maurice Wilkins fueron galardonados con el Premio Nobel en 1962

Estructura de los cidos nucleicos

La estructura de los cidos nucleicos esta constituida por unidades qumicas

repetidas formadas por un grupo Fosfato, un Azcar y una Base Nitrogenada.

Dichas unidades qumicas son denominadas NUCLETIDOS.

RIBOSA

DESOXIRIBOSA

FOSFATO

BASES

Las bases nitrogenadas a su vez se dividen en dos grupos dependiendo su

estructura. Las Pirimidinas y las Purinas.

Los nucletidos estn

unidos entre si de forma

covalente para formar un

polmero lineal, o cadena,

con un esqueleto

compuesto de azcares

que se alternan con

grupos fosfato, unidos

por enlaces 3-5fosfodiester.

En 1950 Erwin Chargaff (Columbia University) mediante experimentos dehidrlisis de las bases fijas de los azcares intent determinar la composicin

de bases de diversas muestras de ADN. Se esperaba que la relacin de bases

en el ADN fuera de 1:1:1:1 pero sus resultados mostraron algo muy distinto.

Uno de los resultados mas interesantes fue el que el nmero de adeninassiempre era igual al de timinas y el nmero de guaninas igual al de citosinas.

Esto mostraba una relacin directa entre dichas bases.

[ A ] = [ T ] , [ G ] = [ C ] , [ A ] + [ T ] [ G ] + [ C ]

La siguiente tabla es un extracto de los datos reportados por Chargaff, listando la

composicin de bases del ADN de varios organismos.

Las bases nitrogenadas que componen al DNA tienen una relacin estequiomtrica

constante y estable mediada por puentes de hidrgeno.

Esto se conoce como principio de Chargaff , aplicables nicamente al ADN. En los

procariontes y organismos inferiores hay un predominio de la dupla GC sobre AT,

mientras que en eucariontes el predominio es inverso.

Tras estos descubrimientos, y basndose en los datos de difraccin de rayos X

obtenidos por Rosalind Franklin y Maurice Wilkins (Kings College) James

Watson y Francis Crick (Cambridge) propusieron un modelo de la estructura de

ADN en 1953.

Los puntos principales de su propuesta eran:

La molcula est formada por dos cadenas de nucletidos.

Las dos cadenas se enrollan en espiral formando un par de hlicesdextrgiras.

Las dos cadenas discurren en direccin opuesta, es decir, sonantiparalelas.

El esqueleto de azcar-fosfato-azcar-fosfato se encuentra en el exteriorde la molcula con dos grupos de bases hacia el centro.

Las dos cadenas se mantienen unidas mediante puentes de hidrgenoentre las bases, una pirimidina en una cadena siempre esta pareada con

una purina en la cadena complementaria siendo los nicos pares posibles

A-T y G-C.

Los puntos principales de su propuesta eran:

La distancia entre el eje y un tomo de fsforo es de 1 nm haciendo elancho de la doble hlice de 2 nm.

Los espacios entre los giros que forman la hlice crean dos surcos (surcomayor y surco menor).

La doble hlice da una vuelta completa cada 10 residuos de nucletido ( 3.5nm).

Debido a la nica unin entre A y T y entre G y C, ambas cadenas de ladoble hlice son complementarias entre si.

Modelo estructural de doble hlice

Puentes de hidrgeno y distancias

entre las bases nitrogenadas

Modelo estructural de doble hlice

EVALUACIN

Realizar un ensayo de 3 hojas con al menos 5 referencias

bibliogrficas donde discutas que impacto histrico, cientfico y

social ha tenido el descubrimiento del ADN y su estructura.

Formas y organizacin del ADN

Como ya lo hemos mencionado,

el DNA se organiza en una cadena

bicatenaria complementaria en

situacin antiparalela. Esta doble

hebra puede ser observada desde

distintos niveles.

La estructura primaria se

considera la secuencia de

nucletidos encadenados. Es en

estas cadenas donde se encuentra

la informacin gentica, y dado

que el esqueleto es el mismo para

todos, la diferencia de la

informacin radica en la distinta

secuencia de bases nitrogenadas.

Esta secuencia presenta un

cdigo, que determina una

informacin u otra, segn el orden

de las bases.

Estructura primaria del ADN

Esta se refiere a la conformacin

tridimensional del ADN que asume como

resultado de la estructura primaria. Es una

cadena doble, dextrgira o levgira,

segn el tipo de DNA. El polmero muestra

una periodicidad de 3.4 correspondiente

a la distancia entre dos bases y otra

periodicidad de 34 correspondiente a la

distancia de un giro de la doble hlice

Ambas cadenas son complementarias,

pues la adenina y la guanina de una

cadena se unen, respectivamente, a la

timina y la citosina de la otra mediante

puentes de hidrgeno. Dichas cadenas

son antiparalelas, pues el extremo 3 de

una se enfrenta al extremo 5 de la

homloga.

Estructura secundaria del ADN

Las bases nitrogenadas son

hidrofbicas y se orientan hacia el

interior de la molcula mientras que el

grupo fosfato y el azcar son

hidroflicas y se orientan hacia afuera.

La doble hlice es una molcula rgida

y un tanto viscosa de un dimetro

pequeo y una longitud muy grande.

Presenta una hendidura o surco menor

el cual se encuentra entre cada par de

bases y un surco mayor entre cada

giro de la doble hlice. Existen tres

modelos de ADN. El de tipo B que es el

ms abundante y es el que tiene la

estructura descrita por Watson y Crick,

tambin se conoce el modelo A y el

modelo Z

Estructura secundaria del ADN

El DNA existe en diversas

conformaciones. Sin embargo, en

organismos vivos slo se han

observado, como ya se mencion, las

conformaciones A, B y Z. La

conformacin que adopta el DNA

depende de su secuencia, la cantidad y

direccin de superenrollamiento que

presenta, la presencia de modificaciones

qumicas en las bases y las condiciones

de la solucin, tales como la

concentracin de iones de metales y

poliaminas. De las tres conformaciones,

la forma "B" es la ms comn en las

condiciones existentes en las clulas.

Estructura secundaria del ADN

La forma "A" es una espiral que gira

hacia la derecha, ms amplia que la

"B", con una hendidura menor

superficial y ms amplia, y una

hendidura mayor ms estrecha y

profunda. La forma "A" ocurre en

condiciones no fisiolgicas en formas

deshidratadas de DNA como las

usadas en experimentos de

cristalografa, mientras que en la

clula puede producirse en

apareamientos hbridos de hebras

DNA-RNA, adems de en complejos

enzima-DNA. Los pares de bases no

se encuentran perpendiculares al eje

como si lo estn en la forma B.

Estructura secundaria del ADN

En el modelo Z, las hebras giran

alrededor del eje de la hlice en una

espiral que gira a mano izquierda, lo

opuesto a la forma "B" ms frecuente. La

estructura se repite cada 2 pares de

bases y las hendiduras mayor y menor

tienen muy poca diferencia en su tamao.

Estas estructuras poco frecuentes

pueden ser reconocidas por protenas

especficas que se unen a ADN-Z y

posiblemente estn implicadas en la

regulacin de la transcripcin. El modelo

Z ha sido difcil de estudiar debido a que

no se encuentra en una forma estable

sino que es inducida por ciertas

actividades biolgicas y posteriormente

desaparece.

Estructura secundaria del ADN

En cuanto a la funcin de las hendiduras o surcos en la doble hlice, estas sirven para

facilitar el reconocimiento de secuencias de ADN por parte de diferentes protenas sin la

necesidad de abrir la doble hlice. As, protenas como los factores de transcripcin que

pueden unirse a secuencias especficas, frecuentemente contactan con los laterales de las

bases expuestos en la hendidura mayor. Por el contrario, los grupos qumicos que quedan

expuestos en la hendidura menor son similares, de forma que el reconocimiento de los

pares de bases es ms difcil; por ello se dice que la hendidura mayor contiene ms

informacin que la hendidura menor.

Estructura secundaria del ADN

El DNA puede retorcerse como una cuerda en un proceso que se denomina superenrollamiento del

DNA (supercoiling, en ingls). Cuando el DNA est en un estado "relajado", una hebra

normalmente gira alrededor del eje de la doble hlice una vez cada 10,4 pares de bases, pero si el

DNA est retorcido las hebras pueden estar unidas ms estrechamente. Si el DNA est retorcido en

la direccin de la hlice, se dice que el superenrollamiento es positivo, y las bases se mantienen

juntas de forma ms estrecha. Si el DNA se retuerce en la direccin opuesta, el superenrollamiento

se llama negativo, y las bases se alejan. En la naturaleza, la mayor parte del DNA tiene un ligero

superenrollamiento negativo que es producido por enzimas denominadas topoisomerasas. Estas

enzimas tambin son necesarias para liberar las fuerzas de torsin introducidas en las hebras de

DNA durante procesos como la transcripcin y la replicacin.

Estructura secundaria del ADN

El ADN se asocia con protenas llamadas histonas para conformar la cromatina. Esta se

encuentra presente en el ncleo y tiene un grosor de 300 , pues la fibra de cromatina de

100 se enrolla formando una fibra de cromatina de 300 . El enrollamiento de los

nucleosomas recibe el nombre de solenoide. Dichos solenoides se enrollan formando la

cromatina del ncleo interfsico de la clula eucariota. Cuando la clula entra en divisin,

el DNA se compacta ms, formando as los cromosomas.

Estructura terciaria del ADN

Las histonas forman un complejo de forma cilndrica denominado nucleosoma, en torno al

cual se enrollan casi dos vueltas de ADN de doble hlice. Estas interacciones

inespecficas quedan determinadas por la existencia de residuos bsicos en las histonas,

que forman enlaces inicos con el esqueleto de azcar-fosfato del ADN y, por tanto, son

en gran parte independientes de la secuencia de bases. Estos aminocidos bsicos

experimentan modificaciones qumicas de metilacin, fosforilacin y acetilacin, que

alteran la fuerza de la interaccin entre el DNA y las histonas, haciendo al DNA ms o

menos accesible a los factores de transcripcin y por tanto modificando la tasa de

transcripcin.

Estructura terciaria del ADN

Esta es la estructura que adopta el ADN

cuando se almacena en un espacio

reducido, para formar los cromosomas.

Vara segn se trate de organismos

procariotas o eucariotas. En procariotas el

ADN se pliega como una sper-hlice,

generalmente en forma circular y asociada

a una pequea cantidad de protenas. Lo

mismo ocurre en orgnulos celulares como

las mitocondrias y en los cloroplastos. En

eucariotas, dado que la cantidad de ADN

contenido en un cromosoma es muy

grande, el empaquetamiento ha de ser ms

complejo y compacto; sirvindose de la

presencia de protenas, como las histonas

y otras protenas de naturaleza no

histnica (en los espermatozoides estas

protenas son las protaminas) para serreorganizado.

Estructura cuaternaria del ADN

El ADN contiene cdigos determinados por su secuencia de bases nitrogenadas. Dichos

cdigos son capaces de expresar su informacin en forma de protenas. Se denomina

Gen a la mnima secuencia capaz de ser traducida en forma de una protena. Un gen

entonces contiene la informacin necesaria para elaborar un pptido. Muchas veces se

requieren mltiples genes para completar una protena completa, particularmente en elcaso de protenas polimricas.

Gen

Un gen esta conformado por secuencias denominadas Intrones y Exones ya que la

informacin contenida dentro de cada gen no se lee de corrido. Los intrones sonsegmentos de la secuencia del gen que no codifican, es decir, que no van a ser

traducidos. Los segmentos codificantes llamados Exones necesitan transmitir su

informacin de manera que se pueda unir posteriormente, este proceso se conoce como

splicing (deslizamiento) y sucede durante la traduccin del ADN al ARN.

Gen

Los genes que se encuentran prximos dentro de los cromosomas se dice que

estn ligados ya que normalmente se segregan juntos en el momento de ladivisin celular. Sin embargo, existe la posibilidad de la recombinacin

cromosmica, lo que genera mayor diversidad gentica en las siguientes

generaciones.

Gen

El genoma es el total de ADN

de una especie. En

organismos eucariotas este

se agrupa en cromosomas los

cuales pueden ser mapeados

en un cariotipo y por bandeos

cromosmicos. En los

organismos dioicos, la mitad

de los cromosomas proviene

del padre y la otra mitad de la

madre, estos cromosomas se

consideran homlogos.

Genoma

En el caso de las bacterias, estas no presentan

cromosomas sino que su ADN se encuentra en

una molcula libre en el citoplasma que adopta

diferentes conformaciones. Adems, las

bacterias pueden tener pequeos fragmentos de

ADN circular llamados plsmidos.

Genoma

Los plsmidos son capaces de transferir

informacin de una bacteria a otra y

pueden integrarse al cromosoma

bacteriano. Han sido muy utilizados en

ingeniera gentica para introducir genes

eucarioticos en bacterias para clonar

protenas especficas.

Estructura del ARN

Es una molcula polimrica muy similar

al ADN pero que se diferencia

principalmente por lo siguiente:

Es una molcula de hebra sencillaen la mayora de sus funciones

biolgicas.

El azcar constitutivo es la ribosa,hacindolo menos estable que el

ADN ya que es mas propenso a la

hidrlisis.

La base complementaria de laAdenina es el Uracilo y no la Timina.

Tipos de ARN

Existen diversas formas de ARN que cumplen con una funcin especifica. El

ARN mensajero (mARN) transporta la informacin obtenida a partir del ADN en

el proceso de transcripcin hacia los ribosomas para ser trasformado en una

protena. En clulas eucariotas se tiene primero un ARN precursor (pre-mARN)

el cual es madurado posteriormente durante el transporte a los ribosomas.

El ARN de transferencia (tARN)

es una pequea cadena de

aproximadamente 80

nucletidos que transporta un

aminocido especifico a una

cadena polipeptdica creciente

durante el proceso de

traduccin. Cuenta con sitios de

anclaje para aminocidos

especficos as como sitios de

reconocimiento llamados

codones que identificaran a las

molculas especificas de mARN

durante el mismo proceso.

Tipos de ARN

El ARN ribosomal (rARN) es

el componente cataltico de

los ribosomas. Las clulas

eucariotas contienen cuatro

molculas diferentes de

rARN (18S, 5.8S, 28S y 5S).

En el citoplasma, el rARN

conformar despus una

nucleoprotena llamada

ribosoma la cual se unir al

mARN y llevara a cabo la

sntesis de la protena en el

proceso de traduccin.

Tipos de ARN

Tipos de ARN

Existen tambin molculas de ARN cuya funcin es la de regular

la expresin gnica en un organismo al ser parte

complementaria de una molcula de mARN o de ADN. Los Micro

ARNs (miARN) se encuentran en clulas eucariotas y estn

formados por aproximadamente 21 nucletidos y actan

mediante la interferencia de ARN (iARN) para bloquear la

traduccin del mARN o acelerar su degradacin. El equivalente

en organismos procariontes son los CRISPR (agregados

regularmente interespaciados de pequeas repeticiones

palindrmicas) ARNs. Los pequeos ARNs de interferencia

(siARN) estn formados por 20 a 25 nucletidos y son

producidos normalmente por la ruptura del ARN viral. Tienen

una funcin muy similar a los miARNs.

Realizar una maqueta del ADN, basada en el modelo propuesto por Watson y Crick

en donde se puedan observar los elementos que conforman a los nucletidos, el

emparejamiento de las bases nitrogenadas pricas y pirimdicas y la contra

direccin de las cadenas de fsforo.

EVALUACIN